玉米秸秆酸解产糖条件的优化

高小朋 任龙辉 孙中锋等

摘要：选择了处理温度、硫酸浓度、固液比３个因素，以还原糖产量为指标，利用正交试验对玉米秸秆酸解产糖条件进行了优化，结果为处理温度１２０ ℃、硫酸浓度０．１０ ｍｏｌ／Ｌ、固液比1∶１０（ｍ／Ｖ，ｇ∶ｍＬ，下同）为较优预处理条件。经过试验验证，在优化后的预处理条件下还原糖产量提高了４１．６％。

关键词：玉米秸秆；酸解；还原糖；优化

中图分类号：Ｓ８１６；ＴＳ２４４＋．１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）16－3361-03

Optimization ofSugar Production Conditions by Corn Straw Acidolysis

ＧＡＯ Ｘｉａｏ－ｐｅｎｇ，ＲＥＮ Ｌｏｎｇ－ｈｕｉ，ＳＵＮ Ｚｈｏｎｇ－ｆｅｎｇ，ＬＩ Ｘｉｕ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Lｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｙａｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎａｎ ７１６０００， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ ｔｏ ｌｉｑｕｉｄ ｒａｔｉｏ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｓｕｇａｒ ｂｙ ｃｏｒｎ ｓｔｒａｗ ａｃｉｄolysis． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ １２０ ℃， ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ｗａｓ ０．１０ ｍｏｌ／Ｌ， ｓｏｌｉｄ ｔｏ ｌｉｑｕｉｄ ｒａｔｉｏ ｗａｓ １∶１０（ｍ／Ｖ，ｇ∶ｍＬ）， ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｓｕｇａｒ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅd ｂｙ ４１．６％．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｒｎ ｓｔｒａｗ； ａｃｉｄｏｌｙｓｉｓ； ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｓｕｇａｒ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

進入２０世纪以来，能源短缺问题日趋严峻，迫切需要人们开发替代能源。乙醇以其可再生、绿色无污染等优点受到普遍关注，利用木质纤维素生产燃料乙醇是未来能源发展的一个重要方向，既能解决能源危机，又充分利用了废弃的秸秆等农业下脚料，还可保护环境［１］。试验作为利用微生物分解玉米秸秆生产乙醇的前期工作，以处理后的还原糖产量为指标，对玉米秸秆进行分解前的预处理条件优化，以期可以快速、高效地产生乙醇，为微生物分解秸秆产醇提供有效的探索。

１材料与方法

１．１材料

１．１．１供试秸秆试验用玉米秸秆采自延安市区周边玉米地，经烘干粉碎至颗粒状备用。

１．１．２仪器立式蒸汽灭菌锅（ＬＳ－Ｂ５０Ｌ，江阴滨江医疗设备有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱（ＤＨＧ－９０３０Ａ，上海精宏实验设备有限公司）；紫外可见分光光度计（ＵＶｍｉｎｉ－１２４０，日本岛津公司）；台式低速离心机（ＫＤＣ－４０，科大创新股份有限公司中佳分公司）。

１．１．３试剂３，５－二硝基水杨酸、亚硫酸钠、酒石酸钾钠等，均为分析纯。

１．２方法

１．２．１玉米秸秆的处理根据赵磊等［２］的方法将玉米秸秆粉碎，称取颗粒直径为３ ｍｍ以下的玉米秸秆１．０ ｇ装于１５０ ｍＬ的三角瓶中，按照表２的试验方案，分９组进行处理，处理结束后自然冷却，以

４ ０００ ｒ／ｍｉｎ离心１５ ｍｉｎ，取上清液过滤，滤液定容至１００ ｍＬ，所得糖液作为待测液备用。

１．２．２还原糖的测定还原糖的测定采用ＤＮＳ法［３］。①葡萄糖标准曲线的制作。分别取１ ｍｇ／ｍＬ葡萄糖标准溶液０．０、０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、１．２ ｍＬ于２５ ｍＬ试管中，分别准确加入２.0 ｍＬ ＤＮＳ试剂、９.0 ｍＬ去离子水，沸水浴３ ｍｉｎ，流水冲洗冷却至室温，用去离子水定容。在５４０ ｎｍ波长下测定吸光度，以葡萄糖这个还原糖浓度为横坐标，以ＯＤ５４０ｎｍ为纵坐标，绘制标准曲线。②待测样品处理。将待测样品适当稀释，使样品中还原糖浓度为０．１～１．０ ｍｇ／ｍＬ，取稀释后的糖液１．０ ｍＬ于２５ ｍＬ刻度试管中，加ＤＮＳ试剂２．０ ｍＬ，沸水浴3 ｍｉｎ，冷却后用去离子水补至刻度，在５４０ ｎｍ波长下测定吸光度，从标准曲线查出还原糖浓度，求出样品中糖含量。

１．２．３优化方法采取单因素试验筛选、正交试验优化的方法进行。①单因素试验筛选。根据已有文献资料［４－６］，结合实际情况，选择处理温度（Ａ）、硫酸浓度（Ｂ）、固液比（Ｃ）、处理时间（Ｄ）４个因素进行试验，每个因素从低到高依次各选５个水平（各因素的不同水平见表１）进行单因素筛选试验。②正交试验优化。根据单因素筛选的试验结果，选择对还原糖产量影响关键的因素和每个因素的水平，进行正交试验优化，对优化结果再进行直观极差分析、效应分析和方差分析。

１．２．４验证试验保持其余条件不变，分别在优化前和优化后的处理条件下，测量还原糖的产量。

２结果与分析

２．１标准曲线的绘制

按照葡萄糖标准曲线的制作方法绘制标准曲线见图１。由图１可知，该曲线ｒ＝０．９９９ １，说明曲线拟合度较好，可以用于还原糖产量的检测。

２．２单因素试验筛选结果

单因素试验筛选结果见图２。由图２可知，在４个因素中，随着处理时间的增加，还原糖产量没有明显变化；随着处理温度的增加，还原糖产量持续增加；而对固液比和硫酸浓度而言，还原糖产量变化表现出先升后降的趋势；由此可说明处理温度、硫酸浓度、固液比这３个因素对还原糖的产量是关键因素，因此，下一步的正交试验，处理时间选择３０ ｍｉｎ，其余３个因素在单因素试验的基础上，选择合适的水平进行试验。

２．３正交试验结果

２．３．１正交试验方案及结果根据单因素试验结果，选择处理温度（Ａ）、硫酸浓度（Ｂ）、固液比（Ｃ）３个因素进行正交试验；处理温度（Ａ）由于试验条件所限，所能达到的最高温度为１２０℃，因此，取单因素试验后３个水平，硫酸浓度（Ｂ）、固液比（Ｃ）分别以单因素试验的最高还原糖产量对应的水平为中心水平，各取３个水平，试验方案按照正交表Ｌ９（３４）安排，试验因素与水平具体见表２，正交试验方案及结果见表３。

２．３．２直观极差分析由正交试验结果直观分析表2和表3可知，３个因素的Ｒ值大小依次为Ａ＞Ｂ＞Ｃ，说明在秸秆预处理的３个因素中，对还原糖产率的影响大小依次为处理温度＞硫酸浓度＞固液比；经过分析，并初步确定玉米秸秆预处理条件优化结果是，处理温度１２０ ℃、硫酸浓度０．１０ ｍｏｌ／Ｌ、固液比１∶１０（m/V，g∶mL，下同）。

２．３．３正交试验各因素的效应分析根据优化试验结果绘制的各因素效应趋势见图３。由图３可以看出，硫酸浓度、固液比两个因素的水平２都是最佳水平，因此，这两个因素的最佳水平分别为硫酸浓度０．１０ ｍｏｌ／Ｌ、固液比１∶１０；而处理温度这一因素水平３对应的还原糖产量最高，说明处理温度超过１２０ ℃，还原糖产量还有增大的趋势，但１２０ ℃的处理温度是在现有条件下能达到的最高温度，另外，处理温度增高意味着能耗的增加，在生产中就会增加成本，因此处理温度选择了１２０ ℃。